Reactor模式

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基础篇:netty源码 死磕3-

传说中神一样的Reactor反应器模式

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1. 为什么是Reactor模式

写多了代码的兄弟们都知道,JAVA代码由于到处面向接口及高度抽象,用到继承多态和设计模式,程序的组织不是按照正常的理解顺序来的,对代码跟踪很是个问题。所以,在阅读别人的源码时,如果不了解代码的组织方式,往往是晕头转向,不知在何处。尤其是阅读经典代码的时候,更是如此。

反过来,如果先了解代码的设计模式,再来去代码,就会阅读的很轻松,不会那么难懂。

像netty这样的精品中的极品,肯定也是需要先从设计模式入手的。netty的整体架构,基于了一个著名的模式——Reactor模式。Reactor模式,是高性能网络编程的必知必会模式。

首先熟悉Reactor模式,一定是磨刀不误砍柴工。

2. Reactor模式简介

Netty是典型的Reactor模型结构,关于Reactor的详尽阐释,本文站在巨人的肩膀上,借助 Doug Lea(就是那位让人无限景仰的大爷)的“Scalable IO in Java”中讲述的Reactor模式。

“Scalable IO in Java”的地址是:http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

Reactor模式也叫反应器模式,大多数IO相关组件如Netty、Redis在使用的IO模式,为什么需要这种模式,它是如何设计来解决高性能并发的呢?

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3. 多线程IO的致命缺陷

最最原始的网络编程思路就是服务器用一个while循环,不断监听端口是否有新的套接字连接,如果有,那么就调用一个处理函数处理,类似:

while(true){
socket = accept();
handle(socket)
}

这种方法的最大问题是无法并发,效率太低,如果当前的请求没有处理完,那么后面的请求只能被阻塞,服务器的吞吐量太低。

之后,想到了使用多线程,也就是很经典的connection per thread,每一个连接用一个线程处理,类似:

package com.crazymakercircle.iodemo.base;

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
 import java.net.ServerSocket;
 import java.net.Socket;

class BasicModel implements Runnable {
 public void run() {
 try {
 ServerSocket ss =
 new ServerSocket(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
 while (!Thread.interrupted())
 new Thread(new Handler(ss.accept())).start();
 //创建新线程来handle
 // or, single-threaded, or a thread pool
 } catch (IOException ex) { /* ... */ }
 }

static class Handler implements Runnable {
    final Socket socket;
    Handler(Socket s) { socket = s; }
    public void run() {
        try {
            byte[] input = new byte[SystemConfig.INPUT_SIZE];
            socket.getInputStream().read(input);
            byte[] output = process(input);
            socket.getOutputStream().write(output);
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }
    private byte[] process(byte[] input) {
        byte[] output=null;
        /* ... */
        return output;
    }
}
}

对于每一个请求都分发给一个线程,每个线程中都独自处理上面的流程。

tomcat服务器的早期版本确实是这样实现的。

多线程并发模式,一个连接一个线程的优点是:

一定程度上极大地提高了服务器的吞吐量,因为之前的请求在read阻塞以后,不会影响到后续的请求,因为他们在不同的线程中。这也是为什么通常会讲“一个线程只能对应一个socket”的原因。另外有个问题,如果一个线程中对应多个socket连接不行吗?语法上确实可以,但是实际上没有用,每一个socket都是阻塞的,所以在一个线程里只能处理一个socket,就算accept了多个也没用,前一个socket被阻塞了,后面的是无法被执行到的。

多线程并发模式,一个连接一个线程的缺点是:

缺点在于资源要求太高,系统中创建线程是需要比较高的系统资源的,如果连接数太高,系统无法承受,而且,线程的反复创建-销毁也需要代价。

改进方法是:

采用基于事件驱动的设计,当有事件触发时,才会调用处理器进行数据处理。使用Reactor模式,对线程的数量进行控制,一个线程处理大量的事件。

4. 单线程Reactor模型

Reactor模型的朴素原型

Java的NIO模式的Selector网络通讯,其实就是一个简单的Reactor模型。可以说是Reactor模型的朴素原型。

 static class Server    {


    public static void testServer() throws IOException
    {

        // 1、获取Selector选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 2、获取通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 3.设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 4、绑定连接
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(SystemConfig.SOCKET_SERVER_PORT));

        // 5、将通道注册到选择器上,并注册的操作为:“接收”操作
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 6、采用轮询的方式,查询获取“准备就绪”的注册过的操作
        while (selector.select() > 0)
        {
            // 7、获取当前选择器中所有注册的选择键(“已经准备就绪的操作”)
            Iterator<span style="color: #0000ff;">&lt;</span><span style="color: #800000;">SelectionKey</span><span style="color: #0000ff;">&gt;</span> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();
            while (selectedKeys.hasNext())
            {
                // 8、获取&ldquo;准备就绪&rdquo;的时间
                SelectionKey selectedKey = selectedKeys.next();

                // 9、判断key是具体的什么事件
                if (selectedKey.isAcceptable())
                {
                    // 10、若接受的事件是&ldquo;接收就绪&rdquo; 操作,就获取客户端连接
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 11、切换为非阻塞模式
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 12、将该通道注册到selector选择器上
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                else if (selectedKey.isReadable())
                {
                    // 13、获取该选择器上的&ldquo;读就绪&rdquo;状态的通道
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectedKey.channel();

                    // 14、读取数据
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int length = 0;
                    while ((length = socketChannel.read(byteBuffer)) != -1)
                    {
                        byteBuffer.flip();
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, length));
                        byteBuffer.clear();
                    }
                    socketChannel.close();
                }

                // 15、移除选择键
                selectedKeys.remove();
            }
        }

        // 7、关闭连接
        serverSocketChannel.close();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        testServer();
    }
}

实际上的Reactor模式,是基于Java NIO的,在他的基础上,抽象出来两个组件——Reactor和Handler两个组件:

(1)Reactor:负责响应IO事件,当检测到一个新的事件,将其发送给相应的Handler去处理;新的事件包含连接建立就绪、读就绪、写就绪等。

(2)Handler:将自身(handler)与事件绑定,负责事件的处理,完成channel的读入,完成处理业务逻辑后,负责将结果写出channel。

4.1. 什么是单线程Reactor呢?

如下图所示:

wpsC334.tmp

这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手,负责多路分离套接字,Accept新连接,并分派请求到Handler处理器中。

下面的图,来自于“Scalable IO in Java”,和上面的图的意思,差不多。Reactor和Hander 处于一条线程执行。

wpsC345.tmp

顺便说一下,可以将上图的accepter,看做是一种特殊的handler。

4.2. 单线程Reactor的参考代码

“Scalable IO in Java”,实现了一个单线程Reactor的参考代码,Reactor的代码如下:

package com.crazymakercircle.ReactorModel;

import java.io.IOException;
 import java.net.InetSocketAddress;
 import java.nio.ByteBuffer;
 import java.nio.channels.SelectionKey;
 import java.nio.channels.Selector;
 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
 import java.nio.channels.SocketChannel;
 import java.util.Iterator;
 import java.util.Set;

class Reactor implements Runnable
 {
 final Selector selector;
 final ServerSocketChannel serverSocket;


Reactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
    selector = Selector.open();
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();
    serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
    //非阻塞
    serverSocket.configureBlocking(false);

    //分步处理,第一步,接收accept事件
    SelectionKey sk =
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    //attach callback object, Acceptor
    sk.attach(new Acceptor());
}

public void run()
{
    try
    {
        while (!Thread.interrupted())
        {
            selector.select();
            Set selected = selector.selectedKeys();
            Iterator it = selected.iterator();
            while (it.hasNext())
            {
                //Reactor负责dispatch收到的事件
                dispatch((SelectionKey) (it.next()));
            }
            selected.clear();
        }
    } catch (IOException ex)
    { /* ... */ }
}

void dispatch(SelectionKey k)
{
    Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
    //调用之前注册的callback对象
    if (r != null)
    {
        r.run();
    }
}

// inner class
class Acceptor implements Runnable
{
    public void run()
    {
        try
        {
            SocketChannel channel = serverSocket.accept();
            if (channel != null)
                new Handler(selector, channel);
        } catch (IOException ex)
        { /* ... */ }
    }
}
}

Handler的代码如下:

package com.crazymakercircle.ReactorModel;

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
 import java.nio.ByteBuffer;
 import java.nio.channels.SelectionKey;
 import java.nio.channels.Selector;
 import java.nio.channels.SocketChannel;

class Handler implements Runnable
 {
 final SocketChannel channel;
 final SelectionKey sk;
 ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
 ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
 static final int READING = 0, SENDING = 1;
 int state = READING;


Handler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
{
    channel = c;
    c.configureBlocking(false);
    // Optionally try first read now
    sk = channel.register(selector, 0);

    //将Handler作为callback对象
    sk.attach(this);

    //第二步,注册Read就绪事件
    sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    selector.wakeup();
}

boolean inputIsComplete()
{
    /* ... */
    return false;
}

boolean outputIsComplete()
{

    /* ... */
    return false;
}

void process()
{
    /* ... */
    return;
}

public void run()
{
    try
    {
        if (state == READING)
        {
            read();
        }
        else if (state == SENDING)
        {
            send();
        }
    } catch (IOException ex)
    { /* ... */ }
}

void read() throws IOException
{
    channel.read(input);
    if (inputIsComplete())
    {

        process();

        state = SENDING;
        // Normally also do first write now

        //第三步,接收write就绪事件
        sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
    }
}

void send() throws IOException
{
    channel.write(output);

    //write完就结束了, 关闭select key
    if (outputIsComplete())
    {
        sk.cancel();
    }
}

}

这两段代码,是建立在JAVA NIO的基础上的,这两段代码建议一定要看懂。可以在IDE中去看源码,这样直观感觉更佳。

如果对NIO的Seletor不完全了解,影响到上面的代码阅读,请阅读疯狂创客圈的Java NIO死磕 文章。

4.3. 单线程模式的缺点:

1、 当其中某个 handler 阻塞时, 会导致其他所有的 client 的 handler 都得不到执行, 并且更严重的是, handler 的阻塞也会导致整个服务不能接收新的 client 请求(因为 acceptor 也被阻塞了)。 因为有这么多的缺陷, 因此单线程Reactor 模型用的比较少。这种单线程模型不能充分利用多核资源,所以实际使用的不多。

2、因此,单线程模型仅仅适用于handler 中业务处理组件能快速完成的场景。

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5. 多线程的Reactor

5.1. 基于线程池的改进

在线程Reactor模式基础上,做如下改进:

(1)将Handler处理器的执行放入线程池,多线程进行业务处理。

(2)而对于Reactor而言,可以仍为单个线程。如果服务器为多核的CPU,为充分利用系统资源,可以将Reactor拆分为两个线程。

一个简单的图如下:

image

5.2. 改进后的完整示意图

下面的图,来自于“Scalable IO in Java”,和上面的图的意思,差不多,只是更加详细。Reactor是一条独立的线程,Hander 处于线程池中执行。

wpsC376.tmp

5.3. 多线程Reactor的参考代码

“Scalable IO in Java”,的多线程Reactor的参考代码,是基于单线程做一个线程池的改进,改进的Handler的代码如下:

package com.crazymakercircle.ReactorModel;

import com.crazymakercircle.config.SystemConfig;

import java.io.IOException;
 import java.nio.ByteBuffer;
 import java.nio.channels.SelectionKey;
 import java.nio.channels.Selector;
 import java.nio.channels.SocketChannel;
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;

class MthreadHandler implements Runnable
 {
 final SocketChannel channel;
 final SelectionKey selectionKey;
 ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.INPUT_SIZE);
 ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(SystemConfig.SEND_SIZE);
 static final int READING = 0, SENDING = 1;
 int state = READING;


ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
static final int PROCESSING = 3;

MthreadHandler(Selector selector, SocketChannel c) throws IOException
{
    channel = c;
    c.configureBlocking(false);
    // Optionally try first read now
    selectionKey = channel.register(selector, 0);

    //将Handler作为callback对象
    selectionKey.attach(this);

    //第二步,注册Read就绪事件
    selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    selector.wakeup();
}

boolean inputIsComplete()
{
   /* ... */
    return false;
}

boolean outputIsComplete()
{

   /* ... */
    return false;
}

void process()
{
   /* ... */
    return;
}

public void run()
{
    try
    {
        if (state == READING)
        {
            read();
        }
        else if (state == SENDING)
        {
            send();
        }
    } catch (IOException ex)
    { /* ... */ }
}


synchronized void read() throws IOException
{
    // ...
    channel.read(input);
    if (inputIsComplete())
    {
        state = PROCESSING;
        //使用线程pool异步执行
        pool.execute(new Processer());
    }
}

void send() throws IOException
{
    channel.write(output);

    //write完就结束了, 关闭select key
    if (outputIsComplete())
    {
        selectionKey.cancel();
    }
}

synchronized void processAndHandOff()
{
    process();
    state = SENDING;
    // or rebind attachment
    //process完,开始等待write就绪
    selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
}

class Processer implements Runnable
{
    public void run()
    {
        processAndHandOff();
    }
}

}

Reactor 类没有大的变化,参考前面的代码。

6. Reactor持续改进

对于多个CPU的机器,为充分利用系统资源,将Reactor拆分为两部分。代码如下:

package com.crazymakercircle.ReactorModel;

import java.io.IOException;
 import java.net.InetSocketAddress;
 import java.net.Socket;
 import java.nio.channels.SelectionKey;
 import java.nio.channels.Selector;
 import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
 import java.nio.channels.SocketChannel;
 import java.util.Iterator;
 import java.util.Set;

class MthreadReactor implements Runnable
 {


//subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
Selector[] selectors=new Selector[2];
int next = 0;
final ServerSocketChannel serverSocket;

MthreadReactor(int port) throws IOException
{ //Reactor初始化
    selectors[0]=Selector.open();
    selectors[1]= Selector.open();
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();
    serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
    //非阻塞
    serverSocket.configureBlocking(false);


    //分步处理,第一步,接收accept事件
    SelectionKey sk =
            serverSocket.register( selectors[0], SelectionKey.OP_ACCEPT);
    //attach callback object, Acceptor
    sk.attach(new Acceptor());
}

public void run()
{
    try
    {
        while (!Thread.interrupted())
        {
            for (int i = 0; i <span style="color: #0000ff;">&lt;</span>2 ; i++)
            {
                selectors[i].select();
                Set selected =  selectors[i].selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                {
                    //Reactor负责dispatch收到的事件
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                }
                selected.clear();
            }

        }
    } catch (IOException ex)
    { /* ... */ }
}

void dispatch(SelectionKey k)
{
    Runnable r = (Runnable) (k.attachment());
    //调用之前注册的callback对象
    if (r != null)
    {
        r.run();
    }
}


class Acceptor { // ...
    public synchronized void run() throws IOException
    {
        SocketChannel connection =
                serverSocket.accept(); //主selector负责accept
        if (connection != null)
        {
            new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
        }
        if (++next == selectors.length) next = 0;
    }
}

}

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7. Reactor编程的优点和缺点

6.1. 优点

1)响应快,不必为单个同步时间所阻塞,虽然Reactor本身依然是同步的;

2)编程相对简单,可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题,并且避免了多线程/进程的切换开销;

3)可扩展性,可以方便的通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源;

4)可复用性,reactor框架本身与具体事件处理逻辑无关,具有很高的复用性;

6.2. 缺点

1)相比传统的简单模型,Reactor增加了一定的复杂性,因而有一定的门槛,并且不易于调试。

2)Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持,比如Java中的Selector支持,操作系统的select系统调用支持,如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer可能不会有那么高效。

3) Reactor模式在IO读写数据时还是在同一个线程中实现的,即使使用多个Reactor机制的情况下,那些共享一个Reactor的Channel如果出现一个长时间的数据读写,会影响这个Reactor中其他Channel的相应时间,比如在大文件传输时,IO操作就会影响其他Client的相应时间,因而对这种操作,使用传统的Thread-Per-Connection或许是一个更好的选择,或则此时使用改进版的Reactor模式如Proactor模式。

在开启Netty源码前,上面的经典代码,一定要看懂哦!

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posted @ 2018-10-22 23:25  疯狂创客圈  阅读(116824)  评论(6编辑  收藏  举报